ES2714736T3 - Reactor electrolítico que comprende un cátodo y un ánodo - Google Patents

Abstract

Reactor electrolítico, en particular para separar fosfato de líquidos que contienen fosfato y para recuperar sales de fosfato, que comprende una carcasa (12), una entrada (18) y una salida (20) para el líquido y dos electrodos (24, 26) de diferente polaridad, que encierran entre sí un espacio de reacción (28), en donde por lo menos uno de los dos electrodos (24, 26) es un electrodo sacrificial, caracterizado por que entre la entrada (18) y el espacio de reacción (28) está dispuesta una antecámara (30), en la que hay dispuestos insertos (34) de tal manera que la corriente de entrada es dividida por los insertos (34) en dos corrientes parciales y dirigida alrededor de los insertos (34).

Description

DESCRIPCION

Reactor electrolitico que comprende un catodo y un anodo

En la tecnologia de procesos con frecuencia se emplean reactores electroliticos que presentan un catodo y un anodo. Durante el funcionamiento del reactor, se aplica una tension electrica entre el catodo y el anodo, de tal manera que esta consume el anodo (anodo sacrificial).

En los documentos DE 102010050691 B3 y DE 102010050692 B3 se describen un procedimiento y un reactor para recuperar sales de fosfato de un liquido, en lo que los electrodos sacrificial es estan hechos de un material que contiene magnesio.

El objetivo de la presente invencion consiste en proveer un reactor electrolitico, en particular para separar fosfato de liquidos que contienen fosfato y la recuperació dne sales de fosfato, que comprende una carcasa, una entrada y una salida para el liquido, asi como dos electrodos de diferente polaridad, que encierran entre si un espacio de reaccion, en lo que por lo menos uno de los dos electrodos es un electrodo sacrificial.

A este respecto, con este tipo de reactores siempre se tiene el deseo de lograr una transformacion y reaccion optima, en lo que la tasa de transformacion optima se puede alcanzar a traves de una conduccion tan constante como sea posible de la corriente en el reactor. Por lo tanto, el objetivo de la presente invencion consiste en proveer un reactor en el presente una corriente tan constante como sea posible a lo largo de todo el reactor.

Este objetivo se logra a traves de un reactor del tipo mencionado al comienzo, en el que entre la entrada y el espacio de reaccion se dispone una antecamara, en la que se disponen insertos de tal manera que la corriente de entrada es dividida por los insertos en dos corrientes parciales y dirigida alrededor de los insertos. A este respecto, es particularmente preferente si para cada punto en la seccion transversal del perfil de entrada en la seccion transversal del objetivo, especificamente en la seccion transversal de la entrada al espacio de reaccion, se puede definir un punto correspondiente, en lo que como conexion entre los puntos se puede definir una ruta de corriente parcial, y la suma de las resistencias al flujo por cada ruta de corriente parcial es igual. De esta manera se puede lograr que la misma velocidad de flujo rija a lo largo de toda la anchura del reactor, por lo que para la totalidad del liquido afluente esta dado el mismo tiempo de permanencia en el espacio de reaccion y, por lo tanto, se puede lograr una medida igual de reaccion. En particular, por medio de la antecamara tambien se logra que la corriente de la entrada se adapte de una primera seccion transversal de corriente a la seccion transversal de corriente del espacio de reaccion.

Adicionalmente, por la transformacion uniforme, si lo que se quiere lograr es la separacion de fosfato o tambien de otras sustancias en forma salina, tambien se puede alcanzar un crecimiento cristalino tan uniforme como sea posible y la distribucion de tamanos de cristales producida asi se concentra en un espectro de tamanos estrecho, de tal manera que se puede minimizar el esfuerzo de la separacion posterior de los cristales a traves de metodos convencionales, tales como centrifugacion, sedimentation o algo similar. En particular, los cristales de este tipo con un tamano de cristal tan homogeneo como sea posible se pueden someter de manera particularmente facil a un tratamiento posterior para producir, por ejemplo, fertilizantes, en caso de que se trate de cristales de fosfato. Ademas de esto, un crecimiento cristalino uniforme presenta la ventaja que los cristales formados por reaccion electroquimica se pueden descargar de manera uniforme con una fuerza de corriente definida.

A este respecto es particularmente preferente, si los insertos estan formados por una o varias paredes de mamparo. En una position de montaje vertical, los insertos ocupan la antecamara entera, de tal manera que el liquido entero tiene que dirigirse alrededor de los insertos.

Igualmente es posible que ademas de una antecamara correspondiente tambien se provea una camara posterior correspondiente para regular la corriente entre la entrada y la camara de reaccion, con la que tambien se regula la corriente entre la salida y la camara de reaccion, para lograr asi un flujo de salida uniforme del liquido, a pesar de la modification de la seccion transversal de la corriente desde la camara de reaccion hacia la salida. De manera particularmente preferente, tambien la camara posterior presenta insertos, preferentemente en forma de paredes de mamparo.

A este respecto, puede estar previsto en particular la entrada y/o la salida presenten una seccion transversal de corriente de forma circular y que el espacio de reaccion presente una seccion transversal de corriente de forma rectangular. En particular, puede estar previsto que la seccion transversal de la corriente del espacio de reaccion sea mucho mas ancha que alta. Bajo esto se ha de entender preferentemente una relation de por lo menos 1:50, mas preferentemente de por lo menos 1:70 y aun mas preferentemente de por lo menos 1:100. Adicionalmente, tambien la relacion entre la altura y la longitud del reactor, en lo que bajo la longitud se ha de entender la extension del reactor en la direction de la corriente del liquido, preferentemente es de por lo menos 1:50, mas preferentemente de por lo menos 1:70, aun mas preferentemente de por lo menos 1:100 y todavia mas preferentemente de por lo menos 1:150. A este respecto, es importante que dentro de lo posible la corriente ya se distribuya en la entrada al espacio de reaccion sobre toda la anchura del reactor, para poder proveer una transformacion y reaccion ya en la entrada al espacio de reaccion a lo largo de todos los electrodos que encierran el espacio de reaccion entre si.

A este respecto, puede estar previsto en particular que los insertos sean por lo menos mas anchos que la anchura del espacio de reaccion. En particular, los insertos sobresalen por una longitud C en cada lado por encima de la anchura del espacio de reaccion, en lo que la longitud C corresponde por lo menos a la anchura D de la ruta de la corriente entre los insertos y la pared de la antecamara o la camara posterior, respectivamente, orientadas hacia el espacio de reaccion. Preferentemente, sin embargo, la longitud C es mayor, preferentemente 1,5 veces, y en particular 2 veces mayor que la anchura D.

Adicionalmente, es preferente que la distancia entre los insertos y el espacio de reaccion sea de por lo menos 1/10 de la anchura del espacio de reaccion.

De manera particularmente preferente, puede estar previsto tambien que por lo menos uno de los dos electrodos, preferentemente el electrodo superior en la direccion de uso, tenga movilidad con respecto al electrodo inferior, para mantener el espacio de reaccion constante en lo referente a su altura, a medida que el por lo menos un electrodo sacrificial se va consumiendo. Al consumir se el por lo menos un electrodo sacrificial, esto tiene como resultado que cuando los electrodos se montan dentro de una carcasa, la distancia entre el electrodo superior y la parte superior de la carcasa aumenta, en caso de que la parte superior de la carcasa no acompane el movimiento del electrodo superior. En este caso puede estar previsto preferentemente que entre el electrodo superior y la parte superior de la carcasa se provea una separacion, que este disenada de tal manera que prevenga que el liquido pueda llegar a la zona por encima del electrodo superior y todo el liquido entero entre en el espacio de reaccion, y que al mismo tiempo este disenada de tal manera que la pared de separacion pueda adaptarse al consumo de los electrodos sacrificiales y, por lo tanto, al movimiento del electrodo movil. En particular, para esto se puede usar una especie de banda de material plano flexible, que al comienzo del tiempo de reaccion este plegada, por ejemplo, en forma similar a un acordeon y se vaya desplegando correspondientemente a medida que se consume el electrodo. Por ejemplo, para esto se puede proveer una hoja flexible de goma o de plastico, o un material textil revestido, pero tambien una placa articulada. Con esto, el liquido entrante en todo caso se dirige al espacio de reaccion. Los cristales formados se descargan con seguridad y se previene un taponamiento o desplazamiento del espacio de reaccion. Para mejorar la posibilidad de recambio de los electrodos en la carcasa, la cubierta en el electrodo puede estar sujetada, por ejemplo, tan solo por un peso colocado encima.

Este respecto esta previsto en general que, en caso de que los electrodos esten hechos de un material que contiene magnesio, durante la transformacion del fosforo se efectue la siguiente reaccion:

Mg²⁺ + NH⁴⁺ + PO^43- + 6H²O ^ MgNH⁴ PO⁴ - 6H²O

en lo que los iones de magnesio se liberan en la superficie de un anodo sacrificial de magnesio. Los electrodos llevan aqui una recuperació enlectrolitica de fosforo a partir de fosfato de magnesio-amonio cristalizado (MAP) (Struvite) en caso de una deficiencia de magnesio en el substrato de partida.

Si uno de los dos electrodos o ambos electrodos se consumen durante la reaccion, es ventajoso si, como se ha descrito mas arriba, la distancia entre los electrodos se mantiene siempre igual y, por lo tanto, el campo electrico entre el anodo y el catodo tambien permanece siempre igual y de esta manera se pueden alcanzar tasas de transformacion optimas. A este respecto, es ventajoso si ninguno de los dos electrodos se usa permanentemente como catodo o como anodo, sino que siempre, a determinados intervalos, se efectua un cambio de polaridad. Sin este cambio de polaridad se pueden acumular depositos sobre el catodo. Por el cambio de polaridad, estos depositos se desprenden a medida que se consume el anodo y pueden descargarse del reactor con la corriente de liquido. En tanto que no este previsto de acuerdo con la presente invencion que ambos electrodos se usen como electrodo sacrificial, es preferente que el catodo, que no se consume, este hecho de acero inoxidable o de otro material electricamente conductivo y resistente a la corrosion.

Para el desarrollo del proceso es de particular importancia que una distancia constante entre las superficies del anodo y el catodo sea independiente del consumo del respectivo electrodo sacrificial. Las superficies que delimitan el espacio de reaccion, a traves del que fluye el liquido tratado, preferentemente son planas, en lo que el espacio de reaccion preferentemente presenta una seccion transversal rectangular en la direccion de la corriente y, ademas de esto, tambien los electrodos presentan una forma cubica o, visto desde arriba, una forma rectangular, que no se modifica sustancialmente por el consumo. Debido a la geometria constante del espacio de reaccion, el campo electrico se mantiene constante incluso durante el consumo de los electrodos y se pueden lograr tasas de transformacion elevadas y definidas con un minirno consumo de energía.

Una aproximacion adaptativa de un electrodo al otro electrodo se puede lograr, por ejemplo, a traves de la fuerza de gravedad, mediante uno o varios muelles y/o uno o varios actuadores. Si se usa la fuerza de gravedad, por ejemplo, para efectuar la aproximacion adaptativa de un electrodo, que durante el funcionamiento es el electrodo superior, al electrodo inferior, ademas de la fuerza de gravedad o los muelles tambien se pueden emplear actuadores electricos, neumaticos o hidraulicos, en lo que preferentemente se proveen elementos distanciadores, que determinan una distancia definida, en lo que preferentemente se proveen dos elementos distanciadores con una determinada distancia entre si, con el fin de prevenir una inclinacion de los electrodos entre si.

Adicionalmente, tambien es posible, en particular si se proveen actuadores para la aproximacion adaptativa de un electrodo al otro, proveer una regulation o control de distanciamiento para la distancia entre los electrodos, con sensores que, como parte de un circuito de regulacion, detectan el consumo o el espesor restante de uno o ambos electrodos. Para esto se conocen sensores disponibles comercialmente.

A este respecto, es particularmente preferente si las superficies de los electrodos, que delimitan el espacio de reaction, son planas, en lo que los electrodos deben presentar un determinado espesor, en caso de que se usen como electrodos sacrificiales, de tal manera que con una superficie rectangular, orientada hacia el espacio de reaccion, resulta una forma sustancialmente cubica en el estado no consumido del electrodo.

En particular es ventajoso, si las dimensiones exteriores (longitud y anchura de la carcasa) del reactor de acuerdo con la presente invention coinciden con las dimensiones de los sistemas de transporte convencionales, tales como, por ejemplo, las asi llamadas europaletas. Entonces, la parte inferior de la carcasa se puede usar como contenedor de transporte reutilizable para anodos y transportarse en las cadenas de logistica existentes de manera optima en cuanto a los costes.

Adicionalmente es posible que, para vigilar el proceso que se desarrolla dentro del reactor y el consumo de los electrodos sacrificiales, se provean medios para detectar la position de los electrodos. A este respecto, se puede tratar, por ejemplo, de sensores de posicion de cualquier tipo de construction que se desee. Estos pueden estar sujetados, preferentemente, de forma movil en la carcasa del reactor o en el electrodo. Con esto se puede vigilar el consumo de los electrodos de una manera simple y muy confiable.

Asimismo, tambien se proveen medios para detectar la corriente electrica que fluye entre los electrodos, y/o la tension electrica aplicada entre los electrodos. De esta manera, el proceso que se desarrolla dentro del reactor se puede vigilar de manera simple y confiable. Eventuales perturbaciones del proceso llevan a un cambio de la corriente electrica y/o de la tension electrica y, por lo tanto, se pueden detectar facilmente.

De manera particularmente preferente, el electrodo sacrificial, y preferentemente incluso ambos electrodos, estan hechos de un material que contiene magnesio. A este respecto, puede proveerse una mayor o menor cantidad de magnesio puro como material para los electrodos. En caso de que solo un electrodo este previsto como electrodo sacrificial, entonces el segundo electrodo puede estar hecho de acero inoxidable, ya que este material es electricamente conductivo y no es atacado por el liquido tratado en el reactor.

Otras ventajas y formas de realization ventajosas de la presente invencion se representan en los siguientes dibujos. En los dibujos:

La figura 1 muestra un reactor de acuerdo con la presente invencion en una vista de section.

La figura 2 muestra un reactor de acuerdo con la presente invencion en una representation seccional vista desde arriba.

La figura 1 muestra un reactor 10 con una carcasa 12 que comprende una parte inferior de carcasa 14, asi como una parte superior de carcasa 16. El reactor presenta ademas una entrada 18 y una salida 20. La direction de la corriente esta marcada con una flecha 22. En la carcasa, que esta cerrada por la parte superior de carcasa 16, que en este ejemplo esta disenada como tapa, se disponen dos electrodos 24 y 26, ambos de los cuales estan configurados como electrodos sacrificiales y que sirven alternadamente durante determinados intervalos de tiempo como anodo y como catodo. Ambos electrodos 24 y 26 estan hechos de un material que contiene magnesio y se van consumiendo durante la reaccion, cuando el fosforo con el fosfato se transforma a partir del liquido en MAP. Entre los dos electrodos 24 y 26 se provee un espacio de reaccion 28, que esta configurado en forma de brecha, en lo que la longitud L del espacio de reaccion es mucho mayor que la altura de la brecha S. En particular, la altura de la brecha S tambien es mucho menor que la anchura B de los electrodos, como se puede ver en la figura 2. A este respecto, esta prevista en particular una relation de altura/longitud de 1:150 y una relation de altura/anchura de por lo menos 1:100. El electrodo 26 puede moverse dentro de la carcasa y puede aproximarse adaptativamente al electrodo 24, de tal manera que la altura de la brecha S permanece siempre constante, incluso si los electrodos 24 y 26 se consumen.

Para unificar la corriente del liquido en el espacio de reaccion 28, se provee una antecamara 30 y una camara posterior 32, en las que respectivamente se proveen insertos 34 y 36. En estos insertos se trata de paredes de mamparo o paredes de separation, que sirven para desviar el liquido que entra en el reactor 10 desde la entrada 18 en un plano perpendicular al plano del dibujo en la figura 1, de tal manera que el liquido tiene que fluir alrededor de las paredes de separacion 34 y 36. En la zona de salida se provee de manera similar una camara posterior 32, en la que el liquido nuevamente se desvia, de tal manera que ingresa de forma particularmente buena desde el punto de vista reotecnico en la salida 20. De esta manera se quiere lograr que la corriente sea lo mas uniforme posible en todo el espacio de reaccion 28 y que el fluido entrante permanezca aproximadamente el mismo tiempo en el espacio de reaccion.

Se mejora la transition de una section transversal de corriente de forma circular, como la presenta la entrada 18, en una seccion transversal de corriente plana, como lo presenta el espacio de reaction, y despues nuevamente en una seccion transversal de corriente de forma circular.

Adicionalmente, en la figura 1 se provee una cubierta 40 en el electrodo superior 26, que puede estar unida firmemente con la tapa de carcasa 16 y que puede fijarse, por ejemplo, por medio de un peso 42 sobre el electrodo superior 26. Si entonces se mueve el electrodo superior para la aproximacion adaptativa debido al consumo, la brecha, que en la figura 1 se identifica con el caracter de referencia a, aumenta de tamano. Por lo tanto, aumenta el peligro de que el liquido fluya por encima de los electrodos en lugar de hacerlo a traves del espacio de reaccion 28. Esto se puede prevenir por medio de la cubierta 40, en lo que en la cubierta 40 se puede tratar en particular de una hoja flexible, de tal manera que la aproximacion adaptativa del electrodo 26 es posible sin problema.

La figura 2 muestra una representation seccional del reactor 10 en una vista superior. A este respecto, el plano de corte pasa por la brecha de reaccion 28. El liquido, que ingresa por la entrada 22, se desvia en la zona de la antecamara 30 hacia la derecha y la izquierda en el plano del dibujo y fluye a traves de una pared de separation 34. Esta pared de separacion 34 se dispone a una distancia D delante de la pared 31 orientada hacia el espacio de reaccion 28 de la antecamara 30. La pared de separacion 34 sobresale en ambos lados por encima de la anchura de la camara de reaccion 28 en la seccion transversal de entrada de la misma, como minimo por una medida (una longitud) C, en lo que la anchura C corresponde por lo menos a la anchura D, de tal manera que la corriente se guia de tal modo que el liquido entra en el espacio de reaccion con una geometria de corriente uniforme y distribuida sobre todo el espacio de reaccion entero. En el ejemplo de realization, la seccion transversal de entrada es ligeramente menor que la anchura B de los electrodos. De esta manera se puede lograr que en cada punto dentro de la zona de entrada exista un punto definido en la zona de entrada al espacio de reaccion 28 y que los puntos se puedan unir a traves de una ruta de corriente parcial, en lo que la suma de todas las resistencias a la corriente de la ruta de corriente parcial permanece siempre igual.

Si la corriente ingresa con una seccion transversal de corriente tan uniforme como sea posible y de manera tan simultanea como sea posible en el reactor, se pueden lograr tasas de reaccion particularmente buenas con el reactor y, como ya se ha expuesto mas arriba, se pueden producir cristales que presentan un tamano de cristal tan uniforme como sea posible, lo que facilita la posterior separacion y tratamiento adicional. Esta medida se puede mejorar aun mas, si tambien en la zona de salida 20 entre el espacio de reaccion 28 y la salida 20 se intercala una camara posterior 32, en la que igualmente se provee una pared de separacion 36, alrededor de la que fluye el liquido, para dirigirlo nuevamente a traves de la salida con una seccion transversal circular. A este respecto, las distancias seleccionadas D y C se deben seleccionar preferentemente de igual forma. De esta manera se pueden optimizar las tasas de transformation.

A este respecto, las paredes de separacion 34, 36 se disponen de tal manera en la antecamara y en la camara posterior que el flujo de la corriente alrededor de ellas en la position de montaje puede efectuarse por ambos lados a lo largo de las mismas, pero no pasando por encima o por debajo de las mismas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Reactor electrolitico, en particular para separar fosfato de liquidos que contienen fosfato y para recuperar sales de fosfato, que comprende una carcasa (12), una entrada (18) y una salida (20) para el liquido y dos electrodos (24, 26) de diferente polaridad, que encierran entre si un espacio de reaccion (28), en donde por lo menos uno de los dos electrodos (24, 26) es un electrodo sacrificial, caracterizado por que entre la entrada (18) y el espacio de reaccion (28) esta dispuesta una antecamara (30), en la que hay dispuestos insertos (34) de tal manera que la corriente de entrada es dividida por los insertos (34) en dos corrientes parciales y dirigida alrededor de los insertos (34).

2. Reactor de acuerdo con la 1, r ceaivraincdteirciazacdióon por que entre el espacio de reaccion (28) y la salida (20) esta dispuesta una camara posterior (32), en la que estan dispuestos insertos (36) de tal manera que la corriente de salida es dividida por los insertos (36) en dos corrientes parciales y dirigida alrededor de los insertos (36).

3. Reactor de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que los insertos (34, 36) estan formados por una o varias paredes de mamparo.

4. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la entrada (18) y/o la salida (20) presentan una seccion transversal de corriente circular y el espacio de reaccion (28) una seccion transversal de corriente rectangular.

5. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la distancia entre los insertos (34, 36) y el espacio de reaccion (28) es de por lo menos 1/10 de la anchura (3) del espacio de reaccion (28).

6. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los insertos (34, 36) en ambos lados son mas anchos, por lo menos por la longitud C, que la seccion transversal de entrada del espacio de reaccion (28).

7. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la seccion transversal de corriente del espacio de reaccion (28) es mucho mas ancha que alta, y en particular que la relacion de altura-anchura es de por lo menos 1:50, preferentemente de por lo menos 1:70 y mas preferentemente de por lo menos 1:100.

8. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el espacio de reaccion (28) posee una seccion transversal rectangular en la direccion de la corriente y presenta una seccion transversal de corriente constante a lo largo de todo el espacio de reaccion (28).

9. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el electrodo (26) superior en el estado de funcionamiento puede moverse y aproximarse adaptativamente al electrodo inferior (24) para mantener una altura constante (S) del espacio de reaccion (28).

10. Reactor de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que entre la carcasa (12), preferentemente en el estado de funcionamiento la mitad de carcasa superior (16) y el electrodo (26) superior en el estado de funcionamiento, se provee una cubierta (40) que impide la entrada de liquido en esta zona.

11. Reactor de acuerdo con la 10 r,e civairnadcticeraizcaiódno por que la cubierta esta formada por un material flexible y esta dispuesta de tal manera que se puede compensar un movimiento del electrodo superior (26) con un movimiento de la misma.